自然界中的元素

化学元素（chemical element）简称元素，是核内质子数相同的原子总称。元素是构成一切物质的基础。由单一元素构成的物质称元素单质，如金、银、铜、铁、石墨（碳）等；由多种元素构成的物质称化合物，如水、葡萄糖、二氧化碳等。地球上大约有32种元素单质，化合物的数量则多得难以胜数。

元素并非一个新概念，在文明建立之初，古人就曾用类似元素的理论解析世界。中国古人认为，五行是构成物质的基本要素，五行相生相克是万物变化的根本原因。《尚书·洪范》记载：“五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。水曰润下，火曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。润下作咸，炎上作苦，曲直作酸，从革作辛，稼穑作甘。”五行和阴阳两大学说构成了中国传统哲学的基本框架，在此基础上发展出中医学、金丹学、命理学、堪舆学（风水学）、星象学等学派。

古印度人认为，地、水、火、风是构成物质世界的四大要素，这一理论被佛教传承和发展，进而提出了“四大种说”。《楞严经》上说：“一切世间种种变化，皆因四大和合发明。”一切物质和世事变迁都是地、水、火、风分配调和的结果。佛教中“四大皆空”就是指脱离了地、水、火、风构成的物质世界。

古希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles）发起的“四根说”认为，火、土、气、水是万物之根，万物因四根聚而生，因四根散而灭。柏拉图提出，四根具有不同的多面体结构，火为四面体，土为六面体，气为八面体，水为二十面体。亚里士多德扩充了四根说，认为物质世界由火、土、气、水和以太（ether）构成，每种物质都有冷热和干湿两种基本特性。四根说曾影响西方人世界观达两千年之久。

欧洲文艺复兴时期，新的科学思潮泛起。瑞士名医帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）首先对“四根说”发起挑战。虽然也承认物质由四根构成，但帕拉塞尔苏斯提出，火、土、气、水是由更细微的组分（元素）构成，其中的可燃元素（硫）、可变元素（汞）、不变元素（盐）是导致人体一切疾病的根源。

1661年，英国化学家波义耳（Robert Boyle）在他的著作《怀疑派化学家》（The Skeptical Chemist）中提出，物质由不可再分的元素单位（原子）构成。一种元素不能通过化学反应转变为另一种元素。尽管没有回答共有多少种元素，波义耳的学说推动了原子理论的创立，促进了化学元素的发现。西方科技史家因此将1661年作为近代化学的发轫之年。

1789年，法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）制定了第一个化学元素表。拉瓦锡不仅将盐酸基、氢氟酸基和硼酸基列为元素，还将光（light）和热（caloric）也列为元素。他将33种元素分为气、土、金属和非金属四大类，从中不难看出，拉瓦锡依然没有摆脱四根说的影响。

1818年，瑞典化学家贝采里乌斯（Jöns Berzelius）也绘制了元素表，测定了当时已知49种元素中45种的相对原子量。原子量的测定为确定新元素提供了依据，也为创立原子理论铺平了道路。

1869年，俄国化学家门捷列夫（Dmitri Mendeleev）公布了元素周期表。与之前科学家的做法不同，门捷列夫将元素按周期规律排序。他不仅列出了当时已知的66种元素，还为未知元素留下空位（图1）。利用元素周期表，门捷列夫纠正了对已知元素特性的错误认识，预测了部分未知元素的特性。

1875年，法国化学家布瓦博德朗（Paul de Boisbaudran）发现了门捷列夫预言的镓。1886年，德国化学家温克勒（Clemens Winkler）发现了门捷列夫预言的锗。镓和锗的发现证实了元素周期理论的正确性，门捷列夫和元素周期表从此名扬天下。

门捷列夫元素周期表加速了新元素的发现进程。1955年，101号元素被发现（合成）。为了纪念这位伟大的化学家，根据他的名字（Mendeleev），101号元素被命名为mendelevium，中文音译为钔。在元素周期表诞生150周年之际，联合国宣布2019年为国际元素周期表年。

元素的发现彻底改变了人类的世界观。“四根说”“四大种说”“阴阳五行说”这些基于直接观察和简单推理的朴素唯物主义理论，逐渐被原子理论和分子学说所取代。人类开始用元素分析宇宙的构成和变迁，探索生命的起源和本质。

氢和氦是宇宙中含量最丰富的两种元素，分别占宇宙质量的74%和24%。宇宙中含量第三的元素是氧，大约占宇宙质量的1%。其他所有元素仅占宇宙质量的1%。

大爆炸（Big Bang）后3秒氢原子形成。大爆炸后3分钟氢原子聚变为氦原子，其间有少量锂、铍、硼、碳形成。随着宇宙快速膨胀，其温度和密度急剧下降，这一过程仅持续了17分钟。因此，氢和氦是宇宙最初形成的元素，其含量占宇宙质量绝大部分。

大爆炸5亿年后，氢和氦等原始产物构成的星云坍塌成恒星。极端重力使恒星内部形成高温高压，氢和氦反复聚变形成碳到铁之间的元素。由较轻原子聚变为铁之后的元素将不再释放能量而是要吸收能量。铁是这种多重聚变的终点，因此恒星核心往往由铁构成。

当恒星铁核心增大到一定程度，原子间的排斥力不足以对抗重力，内核急剧坍塌形成内爆。内爆后的反冲力将恒星物质向外高速抛散，形成超新星爆炸。这一过程形成的高温高压产生比铁重的各种元素。

太阳星云由大爆炸的碎片形成。星云向外抛散的物质经碰撞后融合为行星，大约45.4亿年前地球形成。原始地球通过吸纳小行星不断增大。在重力和放射能的作用下，地球内部温度不断升高，以致可融化金属和矿物质。

地球质量约为5.97×1024千克，其中铁占32.1%，氧占30.1%，硅占15.1%，镁占13.9%，硫占2.9%，镍占1.8%，钙占1.5%，铝占1.4%，其他元素占1.2%。地球内部呈熔融态，密度较小的硅酸盐漂浮到表面形成地壳，密度较大的金属铁沉降到深部形成地心，聚集在地心的铁产生了地球磁场。

地球的结构恰如一个鸡蛋，外部是固体态岩石层构成的地壳，内部是熔融态物质构成的地幔和地心。地球平均半径为6400千米，地壳平均厚度只有17千米，地壳的相对厚度（0.27%）比鸡蛋壳（1.2%）还薄。地壳中含量最丰富的10种元素依次为氧（46.1%）、硅（28.2%）、铝（8.23%）、铁（5.63%）、钙（4.15%）、钠（2.36%）、镁（2.33%）、钾（2.09%）、钛（0.56%）、氢（0.14%）。地壳中含量低于万分之一（100 ppm）的元素称稀有元素，94种天然元素中有72种为稀有元素（附录1）。

地球表面有70.9%为海洋覆盖，海洋平均深度为3700米。海水平均盐度为3.5%，即每升海水含氯化钠35克。除了氯和钠，海水中还含有镁（1290毫克/升）、硫（884毫克/升）、钙（412毫克/升）、钾（399毫克/升）等元素。

大气层是围绕地球的一层混合气体。大气层包绕着海洋和陆地，大气层的厚度大约在1000千米，但没有清晰上界。地球大气由氮（78.08%）、氧（20.95%）、氩（0.93%）、二氧化碳（0.04%）和痕量其他气体（氦气、氖气、氪气、氙气、氡气）组成。

根据原子量大小，自然界中的元素可分为超轻元素、轻元素、重元素和超重元素。超轻元素指原子序数在1到9之间的元素；轻元素指原子序数在10到26之间的元素；重元素指原子序数在27到103之间的元素；超重元素指原子序数在103之后的元素。

地球上不同元素的分布具有一定规律，由于重力的作用，超轻元素和轻元素主要分布于地壳和地球表面，重元素主要分布于地球深部。从最初的单细胞生物到人体这种复杂生命体，这一漫长的进化过程始终没有离开地表。因此，构成人体的元素全部来自地表环境，以超轻元素和轻元素为主。

工业革命之前，人类很少接触位于地球深部的重元素。工业革命之后，随着基础建设和采掘业的发展，重元素被大量开采出来并释放到土壤、水和大气中，人类开始频繁接触重金属与放射性元素，这种环境变迁导致人类疾病谱发生了显著改变。